Диагностика кабельной изоляции в режиме со стабилизацией частоты частичных разрядов

Опубликовано на основе материалов д.т.н., проф. В.А. Шахнина

Диагностика кабельной изоляции в режиме со стабилизацией частоты частичных разрядов

Достоверна ли диагностика частичных разрядов?

Электрошумовые методы диагностики по параметрам частичных разрядов (ЧР) позволяют выявлять дефекты кабельной изоляции на ранних стадиях развития. Известны способы диагностики под рабочим напряжением путём измерения параметров ЧР с помощью индуктивных и емкостных датчиков [1, 2, 3]. Общими недостатками этих способов являются низкая достоверность диагностики, обусловленная влиянием электрических разрядов, возникающих вне диагностируемого кабеля, а также недостаточная наглядность представления результатов контроля. Указанные недостатки в значительной степени обусловлены широким диапазоном значений частоты следования частичных разрядов в кабельной изоляции. В результате при определённых значениях напряженности электрического поля частота следования ЧР настолько высока, что из-за инерционности датчиков, фильтрующих и усиливающих компонентов средств диагностики происходит искажение значений параметров частичных разрядов. Возможно появление ложной полярности произведения сигналов индуктивного и емкостного датчиков, что приводит к снижению уровня селективности к восприятию разрядов внутри и вне диагностируемой изоляции. Кроме того, при регистрации характеристик ЧР с помощью широко применяемых при диагностике высоковольтного оборудования цифровых регистраторов [4], возникает трудно устранимое противоречие между скоростью и точностью регистрации. Указанные недостатки существенно снижают эффективность диагностики кабельной изоляции методом частичных разрядов.

Снижение погрешностей в измерении частичных разрядов

Целью проводимых нами исследований является повышение достоверности и наглядности результатов диагностики кабельной изоляции за счёт обеспечения высокой селективности ЧР внутри и вне оборудования, снижения погрешностей измерения параметров ЧР и представления результатов диагностики в виде зависимостей текущего значения суммарного кажущегося заряда ЧР от напряжения на кабеле. Для достижения указанной цели предлагается изменять напряжённость электрического поля в изоляции в соответствии с текущим значением частоты ЧР, снижая скорость изменения напряжённости при увеличении частоты ЧР и увеличивая при её уменьшении, т.е. проводят диагностику в режиме стабилизации текущего значения частоты ЧР на уровне, соответствующем минимальным погрешностям измерения параметров ЧР, определяя при этом суммарный кажущийся заряд ЧР [5]. На рис. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ диагностики изоляции силовых кабелей.

 

Структурная схема устройства
Рисунок 1. Структурная схема устройства

Напряжение с источника 1 поступает на первый вход вычитающего устройства 2, корректируется сигналом обратной связи и подаётся на первичную обмотку высоковольтного испытательного трансформатора 3 и вход Х цифрового регистратора 4. Выходы блока обработки сигналов 5 подключаются ко входу Y цифрового регистратора 4 и входу вычитающего устройства, а на входы подаются сигналы с индуктивного и ёмкостного датчиков 8 и 9, установленных на диагностируемом кабеле с токопроводящей жилой 6 и оболочкой 7.

На рис. 2 представлена структурная схема блока обработки сигналов 5, включающая в себя усилительно-фильтрующие компоненты 10 и 11, ко входам a и b которых подключены, соответственно, индуктивный 3 и ёмкостный 4 датчики ЧР, а выходы соединены со входами перемножающего устройства 12, выход последнего подключен к управляющему входу блока Рис. 1.

Структурная схема блока обработки
Рисунок 2. Структурная схема блока обработки

Структурная схема устройства коммутации 13, сигнальный вход которого подключен к выходу усилительно-фильтрующей компоненты 10, а выход – к интегратору 14 и формирователю импульсов 15, выход которого подключен к цепи усреднения 16.

Принцип работы устройства

Устройство работает следующим образом. Сигналы электрических разрядов принимаются индуктивным и ёмкостным датчиками 8 и 9, приводятся к одному уровню и освобождаются от шумовых составляющих, проходя через усилительно-фильтрующие компоненты 10 и 11, а затем перемножаются устройством 12. Выходной сигнал этого устройства, полярность которого определяется местом возникновения разряда (т.е. внутри или вне диагностируемого кабеля), управляет работой коммутатора 13, обеспечивая дальнейшее прохождение импульсов тока, соответствующих лишь ЧР внутри кабеля. Формирователь 15 формирует из импульсов сложной формы, соответствующих ЧР, короткие однополярные прямоугольные импульсы стабильной амплитуды и длительности. Постоянная составляющая этого импульсного сигнала, пропорциональная его текущей частоте, выделяется цепью усреднения 16 и вычитается с помощью устройства 2 из сигнала источника напряжения 1. В результате при увеличении частоты ЧР скорость изменения напряжения на первичной обмотке высоковольтного испытательного трансформатора 3 снижается, а при уменьшении частоты ЧР увеличивается.

Таким образом, достигается стабилизация текущего значения частоты ЧР на желаемом уровне, который определяется коэффициентом передачи в контуре управления, включающем диагностируемую кабельную изоляцию, а также элементы 2, 5, 8 и 9 (рис. 1). Критерием выбора этого уровня является отсутствие изменений в регистрируемых зависимостях QΣ =f (U) суммарного кажущегося заряда ЧР от приложенного напряжения при уменьшении модуля этого коэффициента, например, путём уменьшения усиления в компонентах 10 и 11 (рис. 2). Регистрацию названных зависимостей обеспечивает интегратор 14, на вход которого с коммутатора 13 поступают импульсы тока, соответствующие частичным разрядам в диагностируемом оборудовании. Интегратор формирует на выходе напряжение, значение которого пропорционально сумме ампер-секундных площадей входных импульсов, т.е. суммарному кажущемуся заряду ЧР. Это напряжение подаётся на вход Y цифрового регистратора 4, на вход X которого поступает сигнал, пропорциональный напряжению на высоковольтном вводе диагностируемого оборудования. Таким образом, при испытаниях в режиме стабилизации частоты ЧР регистрируется зависимость суммарного кажущегося заряда ЧР от приложенного напряжения: QΣ =f (U).

Эксперимент с устройством на базе системы HVPD Longshot

В Инжиниринговом центре Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых описанное выше устройство изготовлено на базе системы HVPD Longshot компании «High Voltage Partial Discharge Ltd» (Великобритания). В качестве датчиков 8 и 9 применены индукционный (HFCT) и ёмкостной датчики (TEV) этой же компании. Индуктивный датчик устанавливается вокруг жилы кабеля или вывода экрана. Конденсатор связи ёмкостного датчика интегрирован в корпус прибора и регистрирует импульсы частичных разрядов при его размещении на внешней поверхности диагностируемого кабеля. Устройство предназначено для выходного контроля кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена ПАО «Электрокабель» Кольчугинский завод».

На рис. 3 представлены типичные графики зависимостей QΣ =f (U), полученные предлагаемым способом кабеле с низким качеством изоляции близким к критическому.

Типичные графики зависимостей
Рисунок 3. Типичные графики зависимостей QΣ =f (U)

Амплитуда испытательного напряжения для кривой 1 равна 50%, а для кривой 2 – 120% от номинальной рабочей амплитуды. Начальные участки кривых (а-в для кривой 2) соответствуют первоначальному после подачи испытательного напряжения увеличению напряжённости электрического поля от нуля до положительного амплитудного значения, а замкнутые контуры (b-c-d-e-f-g)– циклическому изменению напряжённости. Наблюдаемая на кривой 2 область насыщения свидетельствует о пробое основной части локальных дефектов изоляции. Информативными параметрами кривых являются площадь, ограниченная ими, суммарный остаточный кажущийся заряд при смене полярности испытательного напряжения (точки c и f), значения испытательного напряжения, соответствующие нулевому суммарному кажущемуся заряду (точки d и g), а также наклоны касательных, проведённых к кривым в характерных точках (начальный, максимальный и др.). 

На рис. 4 представлены графики зависимостей QΣ =f (U), полученные в соответствии с предлагаемым способом для кабелей с различным качеством изоляции.

Графики зависимостей QΣ =f (U)
Рисунок 4. Графики зависимостей QΣ =f (U)

Кривая 1 соответствует исправной, а кривая 2 - дефектной изоляции. Обработка результатов прямых измерений параметров этих зависимостей с многократными (n=25) наблюдениями показывает, что погрешность измерений, соответствующая доверительной вероятности 95%, благодаря стабилизации частоты ЧР по предлагаемому способу снижается с 35% (без стабилизации) до 8% (со стабилизацией). Результаты эксперимента обладают хорошей наглядностью, свидетельствуют о высокой информативности зависимостей QΣ =f (U) и достоверности предлагаемого способа диагностики высоковольтного оборудования.

Библиографический список

  1. James R. E. et al. Application of a capacitive Network Winding Representation to the Location Partial Discharges in Transformers / Electric Engineering Transaction, Vol. EE-13, N2, 2007. P. 95-103.
  2. Meijer S., Gulski E., Smit J. Pattern Analysis of Partial Discharges// IEEE Transactions on Dielectrics and Insulation. Vol. 15, No 6, 2008. P. 830-842.
  3. Патент 004019 B1 Евразийское патентное ведомство, МКП G 01R 31/02, 31/34. Способ контроля частичных разрядов / Фольк А. Гулски Е.; опубл. 30.12.2007.
  4. Михеев, Г.М. Цифровая диагностика высоковольтного оборудования / Михеев Г.М. – М.: Изд. дом «Додэка-XXI». – 2008. – 304 с.
  5. Патент Р.Ф. № 2434236, МКП G01R 31/12. Способ диагностики высоковольтного оборудования/В.А. Шахнин, О.И. Моногаров – Опубл. 20.11.2011.Бюл. № 32.

Если вам нужна профессиональная консультация по измерению частичных разрядов, просто отправьте нам сообщение!


 


Заказать звонок

- Email
- Confirm
Имя *
Телефон *
Комментарий
Согласие на отправку персональных данных *

* - Обязательное для заполнения